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| La velocidad norte-sur asociada al modo de propagación retrógrada de la oscilación. Izquierda: observaciones con el instrumento SDO/HMI. Derecha: modelo numérico. Crédito: MPS/Z-C Liang |
Modos inerciales solares: Observaciones, identificación y promesa de diagnóstico
10 años de datos del Observatorio de Dinámica Solar de la NASA combinados con modelos numéricos revelan las profundas notas musicales bajas del Sol.
Estos movimientos se midieron analizando 10 años de observaciones del Observatorio de Dinámica Solar (SDO) de la NASA. Utilizando modelos informáticos, los científicos han demostrado que las oscilaciones recién descubiertas son modos resonantes y deben su existencia a la rotación diferencial del Sol. Las oscilaciones ayudarán a establecer nuevas formas de sondear el interior del Sol y obtener información sobre la estructura y la dinámica internas de nuestra estrella. Los científicos describen sus hallazgos en la revista Astronomy & Astrophysics.
En la década de 1960 se descubrieron las notas musicales altas del Sol: El Sol suena como una campana. Millones de modos de oscilaciones acústicas con periodos cortos, cercanos a los 5 minutos, son excitados por la turbulencia convectiva cerca de la superficie solar y quedan atrapados en el interior solar. Estas oscilaciones de 5 minutos han sido observadas continuamente por telescopios terrestres y observatorios espaciales desde mediados de la década de 1990 y han sido utilizadas con mucho éxito por los heliosismólogos para conocer la estructura interna y la dinámica de nuestra estrella, al igual que los sismólogos aprenden sobre el interior de la Tierra estudiando los terremotos. Uno de los triunfos de la heliosismología es haber cartografiado la rotación del Sol en función de la profundidad y la latitud (la rotación diferencial solar).
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| La velocidad este-oeste asociada al modo de propagación retrógrada de la oscilación. Izquierda: observaciones con el instrumento SDO/HMI. Derecha: modelo numérico. Crédito: MPS/Z-C Liang |
Además de las oscilaciones de 5 minutos, hace más de 40 años se predijo la existencia de oscilaciones de periodo mucho más largo en las estrellas, pero hasta ahora no se habían identificado en el Sol. "Las oscilaciones de periodo largo dependen de la rotación del Sol; no son de naturaleza acústica", afirma Laurent Gizon, autor principal del nuevo estudio y director del MPS. "La detección de las oscilaciones de largo periodo del Sol requiere mediciones de los movimientos horizontales en la superficie del Sol durante muchos años. Las observaciones continuas del Heliosismic and Magnetic Imager (HMI) a bordo de SDO son perfectas para este propósito".
El equipo observó muchas decenas de modos de oscilación, cada uno con su propio periodo de oscilación y dependencia espacial. Algunos modos de oscilación tienen una velocidad máxima en los polos, otros en latitudes medias y otros cerca del ecuador. Los modos con velocidad máxima cerca del ecuador son los modos Rossby, que el equipo ya había identificado en 2018. "Las oscilaciones de largo periodo se manifiestan como movimientos de remolino muy lentos en la superficie del Sol con velocidades de unos 5 kilómetros por hora, más o menos lo que tarda una persona en caminar", dice Zhi-Chao Liang, de MPS. Kiran Jain, del NSO, junto con B. Lekshmi y Bastian Proxauf, del MPS, confirmaron los resultados con datos del Global Oscillation Network Group (GONG), una red de seis observatorios solares de Estados Unidos, Australia, India, España y Chile.
Para identificar la naturaleza de estas oscilaciones, el equipo comparó los datos observacionales con modelos informáticos. "Los modelos nos permiten mirar dentro del interior del Sol y determinar la estructura tridimensional completa de las oscilaciones", explica el estudiante de posgrado del MPS Yuto Bekki. Para obtener las oscilaciones del modelo, el equipo comenzó con un modelo de la estructura y la rotación diferencial del Sol inferido a partir de la heliosismología. Además, el modelo tiene en cuenta la fuerza de la conducción convectiva en las capas superiores y la amplitud de los movimientos turbulentos. Las oscilaciones libres del modelo se obtienen considerando perturbaciones de pequeña amplitud en el modelo solar. Las velocidades correspondientes en la superficie coinciden con las oscilaciones observadas y permiten al equipo identificar los modos.
"Todas estas nuevas oscilaciones que observamos en el Sol están fuertemente afectadas por la rotación diferencial del Sol", afirma el científico del MPS Damien Fournier. La dependencia de la rotación solar con la latitud determina dónde los modos tienen amplitudes máximas. "Las oscilaciones también son sensibles a las propiedades del interior del Sol: en particular a la fuerza de los movimientos turbulentos y la viscosidad relacionada del medio solar, así como a la fuerza de la conducción convectiva", dice Robert Cameron, del MPS. Esta sensibilidad es fuerte en la base de la zona de convección, a unos doscientos mil kilómetros por debajo de la superficie solar. "Al igual que estamos utilizando las oscilaciones acústicas para conocer la velocidad del sonido en el interior solar con la heliosismología, podemos utilizar las oscilaciones de largo periodo para conocer los procesos turbulentos", añade.
"El descubrimiento de un nuevo tipo de oscilaciones solares es muy emocionante porque nos permite inferir propiedades, como la fuerza de la conducción convectiva, que en última instancia controlan la dinamo solar", dice Laurent Gizon. El potencial de diagnóstico de los modos de periodo largo se materializará plenamente en los próximos años utilizando un nuevo modelo informático a exescala que se está desarrollando como parte del proyecto WHOLESUN, apoyado por una subvención de sinergia del Consejo Europeo de Investigación 2018.
Fuentes, créditos y referencias:
“Solar inertial modes: Observations, identification, and diagnostic
promise” by Laurent Gizon, Robert H. Cameron, Yuto Bekki, Aaron C.
Birch, Richard S. Bogart, Allan Sacha Brun, Cilia Damiani, Damien
Fournier, Laura Hyest, Kiran Jain, B. Lekshmi, Zhi-Chao Liang and
Bastian Proxauf, 6 August 2021, Astronomy & Astrophysics.
DOI: 10.1051/0004-6361/202141462